Современная биосфера Земли в космическом окружении

Биосфера - это область планеты, наиболее богатая, вероятно, с максимальной действенной энергией, резко различного характера. В ней господствуют проявления живого вещества и космические силы.

В. И. Вернадский

ЗЕМЛЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Наша планета вместе с Солнцем движется в галактическом пространстве и в разной степени подвергается действию различных космических факторов, включающих электромагнитные поля и из лучения, корпускулярную радиацию от бесчисленных звездных миров. Эти факторы в различной степени влияют на живое вещество биосферы Земли и также влияли в далеком геологическом прошлом, хотя масштабы и конкретные результаты этих воздействий пока оказываются недостаточно изученными.

Непосредственным окружением Земли служит межпланетная среда, охватывающая вещество и поле внутри Солнечной системы. Кроме вполне дискретных материальных объектов - планет, астероидов и комет, разделенных друг от друга значительными расстояниями, составляющими компонентами межпланетной cреды являются: солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, заряженные частицы высоких энергий космические лучи и рассеянная пыль.

Солнечный ветер - представляет собой поток заряженных частиц, главным образом протонов и электронов, вытекающих из верхних частей солнечной короны. Он распространяется в общем радиально от Солнца и заполняет собой Солнечную систему до гелиоцентрического расстояния 100 а.е. (астрономических единиц). У орбиты Земли поток протонов солнечного ветра изменяется в широких пределах от 10⁸ до 10¹⁰ частиц на см²/с, а скорость колеблется от 200 до 900 км/с. Естественно, что при возрастании расстояния от Солнца R поток протонов убывает согласно 1/R², а скорость остается почти постоянной. Существование солнечного ветра было экспериментально доказано в 1960 г. путем прямых измерений с помощью АМС. Образование солнечного ветра связано с высокими температурами в солнечной короне (1,5x10⁶ К), когда давление вышележащих слоев ниже газового давления нижних горизонтов короны и корона рассеивается.

Корона представляет собой внешнюю часть солнечной атмосферы и прослеживается от края солнечного диска до расстояний в десятки солнечных радиусов. Вещество солнечной короны рассеивается в межпланетном пространстве. Таким образом, солнечный ветер отражает состав солнечной короны, который может быть выражен следующими атомными отношениями:

Н 0,96	Nе 7,5x10-5
3Не 1,7x10-5	Si 7,5x10-5
4Не 0,04	Аr 3x10-6
О 5x10-4	Fe 4,7x10-5

При этом Н + ⁴Не принимается за единицу.

На общий стационарный процесс истечения вещества короны, дающий солнечный ветер, накладываются нестационарные явления, связанные со вспышками на Солнце. При сильных солнечных вспышках происходит выброс вещества из нижних слоев короны в меж­планетную среду, что вызывает появление ударных волн, которые постепенно замедляются при прохождении через плазму солнечного ветра. Поступление ударной волны в ближайшее окружение Земли приводит к сжатию ее магнитосферы, после чего возникают магнитные бури.

Межпланетное магнитное поле - определяется главным образом движением ионизированных масс горячего газа на Солнце. Вращение Солнца приводит к тому, что силовые линии поля закручиваются и приобретают форму спиралей. Межпланетное магнитное поле также связывается с характером солнечного ветра, который как бы уносит магнитное поле Солнца. Напряженность магнитного поля на орбите Земли достигает наибольших значений у переднего края высокоскоростных потоков солнечного ветра. При удалении от Солнца напряженность его магнитного поля падает и у земной орбиты достигает значений от 2x10^-5 до 8x10^-4 Эрстед. Межпланетное магнитное поле характеризуется изменчивостью, что связано с солнечной активностью в ходе времени.

Космические лучи - представляют собой поток заряженных частиц высоких скоростей и энергий, проникающий в биосферу Земли. Попадая на нашу планету из мирового пространства и частично от Солнца, космические лучи взаимодействуют с веществом земной атмосферы и дают вторичные излучения с ливневыми эффектами, в которых обнаружены метастабильные элементарные частицы.

Плотность потока космических частиц у поверхности Земли крайне невелика. Практически космические лучи полностью поглощаются в атмосфере, хотя следы их действия обнаруживаются на глубине 1000 м под уровнем моря. Поток космических лучей равен примерно 10 частицам на 1 см в 1 минуту. Таким образом, в количественном отношении значение космических лучей в преобразовании вещества биосферы оказывается весьма ничтожным.

Таблица 1

Относительное содержание нуклидов в космических лучах, на Солнце и в звездах

(О = 1,00)

Z	Элемент	Солнечные космические лучи	Солнце (фотосфера)	Звезды	Галактические космические лучи
4-5 15-21 16-20 22-28	Н Не Li Be -В С N О F Ne Na Mg Al Si P-Sc S-40Ca Ti-Ni Fe	0,02 0,54 0,20 1,00 0,03 0,16 0,18 0,13 0,06 0,04 0,02 0,15	< 10'5 < 10'5 0,6 0,1 1,00 10'3 0,054 0,002 0,05 0,002 0,065 0,032 0,028 0,006 0,05	< 10"5 < 10 5 0,26 0,20 1,00 < 10"4 0,36 0,002 0,040 0,004 0,045 0,024 0,02 0,033 0,06	0,3 0,8 1,8 0,8 1,00 0,1 0,30 0,19 0,32 0,06 0,12 0,13 0,11 0,28 0,14

Космические лучи состоят преимущественно из потока протонов высоких энергий. Данные об их составе представлены в таблице 1 при сравнении с распространением нуклидов на Солнце и в звездах. Источниками космических лучей являются объекты Галактики и наше Солнце. Таким образом, можно различать галактические и солнечные космические лучи. Наиболее мощными источниками космических лучей являются галактические туманности - оболочки взорвавшихся сверхновых звезд. К ним относятся: Крабовидная туманность (Телец А), Кассиопея А, оболочка сверхновой 1C 443, Волокнистая туманность в созвездии Лебедя и Центральная радиообласть Галактики. Согласно расчетам В.Л. Гиндзбурга и И.С. Шкловского, наблюдаемые вспышки сверхновых (одна в ~ 100 лет) и новых (~ 100 в год) могут поддерживать количество частиц космических лучей в нашей Галактике на наблюдаемом в настоящее время уровне.

Средняя энергия первичных космических частиц составляет 10¹⁰ электрон-вольт (эВ), хотя обычно могут быть и разные значения. Обнаружено присутствие в космических лучах частиц с энергиями 10¹⁴ до 10²⁰ эВ, что может быть приписано их внегалактическому происхождению, связанному с радиогалактиками и квазарами.

Сравнивая данные таблицы 1 между собой, можно видеть, что состав первичных космических лучей в принципе повторяет известные закономерности космического распространения химических элементов, однако отмечается ряд признаков отклонения от атомного состава Солнечной системы и изученных звезд.

По сравнению с солнечным распространением в потоке космических лучей отмечается повышенное содержание легких нуклидов - лития, бериллия и бора. Эффекты четности элементов в отношении распространения значительно сглажены в космических лучах. Преобладание четных элементов над нечетными, не столь велико в космических лучах, как в веществе Солнца и звезд. Отмеченные особенности состава космических лучей имеют преимущественно вторичное происхождение. Поток космических частиц от источника до наблюдателя изменяется при взаимодействии с межзвездной средой. При этом основным процессом изменения будет скалывание тяжелых ядер межзвездной среды и образование за их счет более легких.

Некоторую долю относительно мягких космических лучей испускает Солнце. Она не превышает 5% по числу частиц и 2 - 3% по суммарной энергии. Космические лучи солнечного происхождения представляют собой поток заряженных частиц, ускоряемых до высоких энергий в верхних слоях атмосферы Солнца. Во время солнечных вспышек интенсивность лучей резко возрастает по отношению к фоновому потоку галактических космических лучей. Самый мощный импульс за всю историю наблюдений отмечен 23 февраля 1956 г. (~ 4500%). Мощные потоки быстрых частиц в периоды солнечных вспышек могут заметно нарушать озоновый слой земной атмосферы и создавать серьезную опасность для экипажей, солнечных батарей и электронного оборудования космических аппаратов в межпланетном пространстве.

Межпланетная пыль. Ее существование было известно давно по наблюдениям метеоров, возникающих в результате полета пылинок в атмосфере Земли. В настоящее время изучается путем регистрации пылевых частиц на космических аппаратах и по образованию микрократеров на поверхности Луны. Количество космической пыли в Солнечной системе по сравнению с массой вещества планет и астероидов в общем невелико. Общая масса пыли в Солнечной системе оценивается величиной 10¹⁹ - 10²⁰ г. Большая ее часть представлена частицами 10^-3 - 10^-5 г. (около 2/3). Облако межпланетной пыли сосредоточено преимущественно в плоскости эклиптики, поскольку у большинства частиц наклон орбит не превосходит 30 - 40°. Облако пылевых частиц, окружающее Солнце и рассеивающее солнечное излучение, создает свечение, называемое зодиакальным светом. Поскольку облако пыли располагается приблизительно в плоскости эклиптики, то зодиакальный свет виден как полоса, простирающаяся вдоль эклиптики на фоне зодиакальных созвездий. Лучше всего зодиакальный свет виден в тропических странах на западе вскоре после захода Солнца, или на востоке перед его восходом.

Значительная часть мелкой космической пыли, выпадающей на поверхность Земли, пролетая через атмосферу, сильно нагревается, что вызывает существенное изменение ее первоначального облика и состава. Происходит оплавление пылевых частиц, и они превращаются в сферические оплавленные частицы или сферулы, которые можно идентифицировать как частицы именно космического происхождения.

Впервые космические сферические оплавленные частицы были обнаружены в глубоководных отложениях Тихого океана экспедицией судна «Челленджер» во второй половине прошлого века. В 1884 г. Дж. Меррей и А. Менард выполнили анализ магнитных шариков из океанических илов, собранных «Челленджером». Шарики оказались маленькими - микронного и реже миллиметрового размера. К настоящему времени они обнаружены в осадочных отложениях, ледниковых взвесях, океанических донных осадках, атмосферных осадках Антарктиды и Гренландии. Среди космических шариков встречаются стеклянные и металлические частицы по соотношению железа и никеля приближающиеся к составу вещества метеоритов.

Происхождение космической пыли в Солнечной системе представляет собой космохимическую проблему, которая далеко еще не решена. Пылевая материя в Солнечной системе может быть остатком первоначального протопланетного газово-пылевого облака или продуктом дробления астероидов и комет. По мнению Б.Ю. Левина и А.Н. Симоненко, первичное протопланетное вещество в Солнечной системе не сохранилось. Оно распылилось во взаимных столкновениях, после чего световое давление отбросило мелкие пылинки субмикронных размеров в краевые части системы, а наиболее крупные осели на Солнце под влиянием эффекта Пойнтинга-Робертсона. Пока мы имеем право ограничиться заключением о кометном происхождении основных частей космической межпланетной пыли.

Количество выпадающей на Землю пылевой материи точно не установлено. За последние годы была значительно усовершенствована техника сбора метеорной и космической пыли в атмосфере нашей планеты. Пробы этого вещества отбирались при помощи реактивных самолетов на больших высотах, собирались на поверхности высокогорных ледников и в Антарктиде. В настоящее время прирост массы Земли за счет выпадения метеорного вещества оценивается величинами от 13 до 80 тысяч тонн в сутки, или же около десяти миллионов тонн в год в среднем. Установлено также, что суммарная масса метеорного вещества возрастает с уменьшением размеров и массы индивидуальных частиц, что находит подтверждение при более тщательных сопоставлениях визуальных, радиолокационных и ракетных наблюдений за числом метеоров. Согласно подсчетам В.В. Федынского (1964), если бы даже темпы прироста космического вещества в течение геологической истории были столь же незначительными, как и в современную эпоху, то за 4 млрд лет существования Земли суммарное количество метеоритного вещества, выпавшего на нашу планету, должно было составить 4x10²² г или же 1/500 долю современной массы земной коры.

Наряду с пылью на Землю выпадают крупные тела - метеориты, которые вносят незначительный вклад в увеличение массы земной коры. Однако в далеком прошлом, если судить по поверхности Луны и Марса, метеоритная бомбардировка была весьма значительной, что заслуживает специального рассмотрения и изучения.

В пространстве Солнечной системы присутствует нейтральный газ, который обнаружен по резонансному рассеянию солнечного излучения. Он распределен более менее равномерно на расстоянии ~ 5 а.е. от Солнца. В среднем состав газа определяется присутствием атомов водорода с концентрацией 0,06 см^-3 и гелия 0,012 см^-3. Температура газа - порядка ~ 900 К. Распределение газа определяется влиянием излучения и солнечного ветра и собственным притяжением Солнца.

 

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ И МЕСТО В НЕЙ БИОСФЕРЫ

Земля относится к внутренним планетам Солнечной системы, которые образуют особую группу космических тел, отличающихся по размерам и составу от гигантских внешних планет - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. В настоящее время благодаря изучению земных планет автоматическими межпланетными станциями, получена ценная информация для сравнения Земли с ближайшими планетами в целях лучшего и более глубокого понимания природы нашей планеты, ее строения и состава. К внутренним планетам относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. К этой же группе относится Луна - спутник Земли.

По существующим представлениям к планетам относятся тела, которые в процессе своего образования под действием гравитационных сил приобрели шаровидную форму и в ходе дифференциации вещества получили оболочечную структуру. Этим они существенно отличаются от метеоритов и тел астероидного типа. Однако возможно, что наиболее крупные астероиды Церера, Юнона, Веста относятся к малым планетам с оболочечным строением.

Главной общей чертой планет земной группы является их относительно высокая плотность (3,34 5,52 г/см³), указывающая на то, что они сложены преимущественно твердым каменным материалом. Содержание газов, образующих атмосферы планет, ничтожно мало, или же они отсутствуют вовсе, как это наблюдается у Меркурия и Луны, где также отсутствует вода. На Венере в малых количествах вода присутствует в виде пара в атмосфере, а на Марсе вода находится в замороженном состоянии. На Земле вода присутствует в наибольшем количестве по сравнению с остальными внутренними планетами. Физические условия на Земле позволяют находиться воде в жидком, парообразном и твердом замерзшем состоянии. Это обстоятельство имеет непосредственное отношение к существованию жизни, к формированию климатических зон и природных ландшафтов. Основные свойства внутренних планет представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные свойства внутренних планет по сравнению с Землей

Планеты	Расстояние от Солнца, млн. км	Масса Земля=1,00	Радиус Земля=1,00	Средняя плотность, г/см²	Средняя плотность, г/см² при нулевом давлении	Скорость убегания, км/с
Луна		0,0123	0,273	3,34	3,3	2,38
Меркурий	57,9	0,0558	0,382	5,42	5,3	4,3
Венера	108,2	0,8150	0,949	5,25	4,4	10,3
Земля	149,6	1,000	1,000	5,52	4,4	11,2
Марс	227,9	0,1077	0,532	3,94	3,9

Астероиды представляют собой малые тела Солнечной системы. Большая их часть обращается вокруг Солнца в пространстве между орбитами Марса и Юпитера, образуя астероидный пояс. Общая масса вещества в этом поясе оценивается величиной 4,5x10²⁴ г, что составляет 1/20 часть массы Луны или 1/1500 часть массы Земли. Основная масса вещества астероидов сосредоточена в наиболее крупных телах, так на долю наиболее массивной Цереры приходится 1/3 общей массы астероидов.

Астероиды являются источниками метеоритов. Пояс астероидов - это область механического распада и дезинтеграции твердых тел в результате соударений. По заключению немецкого астрофизика А. Унзольда пояс астероидов представляет собой «великую камнеломню Солнечной системы». Обломки дробления и представляют собой метеориты, которые в настоящее время изучаются в различных лабораториях мира. Изучение метеоритов привело к выявлению ценных результатов, необходимых для оценки химического состава планет земной группы.

По составу метеориты разделяются на три основных класса - каменные (аэролиты), железо-каменные (сидеролиты) и железные (сидериты). Наиболее часто на поверхность Земли выпадают каменные метеориты, среди которых преобладают хондриты - зернистые метеориты, состоящие из зернышек (хондр) диаметром 1 - 0,1 мм сцементированных плотной мелкозернистой минеральной массой. Данные по метеоритам показывают, что они состоят из тех же химических элементов, что и вещество нашей планеты. При этом наиболее обильные по распространению элементы оказываются в метеоритах теми же, что и на Земле. Для наиболее изученной части земного шара - земной коры порядок

распространения химических элементов представляется в следующем виде:

Земная кора: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К

Метеориты: О, Si, Fe, Mg, S, Ni, Al, Ca

Любой метеорит можно рассматривать как сочетание трех твердых фаз: каменной (силикатной), железной (металлической) и троилитовой (сульфидной). Они представлены главным образом следующими минералами: оливин (Mg,Fe)₂SiO₄, пироксен (Mg,Fe,Ca)SiO₃, камасит и тэнит (Fe, Ni) и троилит FeS. Наиболее распространена в метеоритах силикатная фаза (О, Si, Mg) и металлическая (Fe, Ni), которые слагают основную массу. Сульфидная фаза в виде троилита имеет подчиненное значение.

Исходя из состава метеоритов, нетрудно произвести оценку внутреннего состава планет земной группы, что было выполнено многими исследователями. При этом основа расчетов состояла в том, что пропорция метеоритного материала - силикатного и металлического соответствовала средней плотности планет. Естественно, что при оценке общего состава планет принимаются их средние плотности, вычисленные для нулевого давления в их центре, поскольку сжатие материала в массивных планетах приводит к его уплотнению. Это наиболее заметно для Венеры и Земли. Силикатный материл имеет плотность 3,3 г/см³, в то время как железо-никелевый - 7,2 г/см³. Естественно, что металлический материал сосредоточен в центральных областях планет в виде ядер, а силикатный их обволакивает в виде мощных оболочек - мантий. Таким образом основная оболочечная структура планет в первую очередь определяется соотношением силикатных и металлических оболочек.

Последние расчеты состава планет земной группы, на основании использования метеоритных данных были выполнены американскими исследователями Дж. Морганом и Э. Андерсом. Табл. 3.

Таблица 3

Модельный химический состав внутренних планет (в %)

Элемент	Меркурий	Венера	Земля	Марс
О	14,44	30,90	30,19	34,11
Nа	0,02	0,14	0,12	0,06
Mg	6,5	14,54	13,90	14,55
А1	1,08	1,48	1,41	2,73
Si	7,05	15,82	15,12	15,74
Р	0,04	0,19	0,19	0,16
S	0,24	1,62	2,92	0,67
К	0,002	0,015	0,013	0,006
Са	1,18	1,61	1,54	2,98
Ti	0,06	0,09	0,08	0,16
Сr	0,72	0,41	0,41	0,36
Мn	0,015	0,046	0,075	0,094
Fe	64,47	31,17	32,07	26,72
Со	0,17	0,08	0,08	0,07
Ni	3,66	1,77	1,82	1,52

Видно, что разная плотность планет земной группы вытекает из различного соотношения силикатного и металлического материала; так последний составляет 2/3 массы Меркурия, 1/3 Венеры и Земли и 1/4 часть Марса. Отсюда вытекает пространственная закономерность состава внутренних планет - в ближайших к Солнцу планетах пропорция металлического железа выше, чем в планетах более отдаленных. В данном случае мы встречаемся с важной космохимической закономерностью в Солнечной системе.

Выделение в центральных областях Земли металлического ядра и обволакивающей его каменной оболочки было сделано немецким ученым Э. Вихертом в 1897 г. Впоследствии по данным геофизики удалось установить общую картину строения Земли и вычислить скорости прохождения продольных и поперечных сейсмических волн и тем самым определить границы внутреннего ядра. Установлено, что твердое тело Земли состоит из трех основных частей: коры, мантии и ядра. Современные модели строения и состава Земли были предложены Б. Гутенбергом, К. Булленом, Г. Холлом и др. Разрез земного шара с указанием мощности оболочек и наиболее распространенных химических элементов в каждой оболочке представлен на рис. 1.

Основные данные о состоянии и составе отдельных оболочек Земли показаны в таблице 4. Эти данные в общем отражают химическую дифференциацию нашей планеты, которая установилась в глубинных оболочках давно, в то время как в верхних горизонтах мантии и вышележащих оболочках мы наблюдаем термическую, динамическую и химическую активность, связанную с различными источниками энергии космического и радиоактивного происхождения. Наиболее активной зоной является биосфера, которая по В.И. Вернадскому представляет область планеты, наиболее богатую максимальной действенной энергией, резко различного характера. В ней господствуют проявления живого вещества и космические силы.

Учитывая современный уровень наших знаний, можно дать следующее определение - биосфера есть совокупность живых организмов Земли и той части окружающей среды, которая обменивается с этими организмами в процессе жизнедеятельности. Внешняя среда, которая обменивается своим веществом со всеми организмами относится главным образом к атмосфере и гидросфере, и в меньшей степени к литосфере. Однако материал литосферы в геологическом прошлом формировался под влиянием живого вещества, разнообразной деятельности организмов, что относится преимущественно к осадочным породам.

Рис. 1. Внутреннее строение Земли с указанием наиболее распространенных химических элементов в ее оболочках.

Таблица 4